無人測量船在水利工程測量的應(yīng)用

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【摘要】在水利工程中，傳統(tǒng)水域測量主要依靠有人船只搭載測深設(shè)備和GNSSRTK進(jìn)行，這種作業(yè)模式在淺灘、危險(xiǎn)水域及一些船只無法進(jìn)入的區(qū)域獲得數(shù)據(jù)比較困難，且作業(yè)效率較低。文章結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，對(duì)無人測量船工作原理和作業(yè)流程進(jìn)行介紹，通過比較分析得出無人測量船在水利工程測量中具有精確、便攜、高效等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】無人測量船；水深測量；水利工程；誤差分析

1無人測量船

1.1無人測量船簡介

無人測量船主要包括船體系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)和岸基控制系統(tǒng)。船體系統(tǒng)包含動(dòng)力、通信、導(dǎo)航、視頻監(jiān)測、智能避障等；測深系統(tǒng)是由安置在船上的數(shù)字測深儀完成；GNSS定位系統(tǒng)采用GNSS-RTK動(dòng)態(tài)差分定位，可采用在岸基架設(shè)基準(zhǔn)站，也可采用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK；岸基控制系統(tǒng)由PC設(shè)備、遙控器、無線電臺(tái)等設(shè)備組成。

1.2無人測量船工作原理

無人測量船的工作原理如圖1：通過岸基系統(tǒng)PC端劃定測區(qū)及布設(shè)航線，無人測量船接收指令開始進(jìn)行自動(dòng)航行測量，也可以通過遙控器手動(dòng)遙控進(jìn)行測量。已知聲波在水下的傳播速度為v，單波束測深儀通過換能器發(fā)射和接收到波束回波的時(shí)間間隔為t，則可計(jì)算出換能器至水底的深度S為：S=vt/2由GNSSRTK測量可以獲得GNSS接收機(jī)相位中心實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)（X，Y，Z），GNSS接收機(jī)相位中心到水面的高差值為h1，動(dòng)態(tài)吃水和靜態(tài)吃水差值極小，可忽略不計(jì)，視吃水值為h2，可實(shí)時(shí)測出水底高程H為：H=Z-S-h1-h2由此可以得出GNSS接收機(jī)正下方地形點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)為（X，Y，H），實(shí)現(xiàn)了水下地形點(diǎn)的測量。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1測區(qū)概況

解放水庫屬中型水庫，位于安徽省定遠(yuǎn)縣境內(nèi)。庫區(qū)現(xiàn)有水域面積3.6km2，深水區(qū)平均水深4.0m左右。水庫周邊存在大面積淺水區(qū)域，水深不足0.5m，同時(shí)周邊還分布著100多座魚塘，且大小、深淺不一。本次測量需要對(duì)庫區(qū)水域進(jìn)行1∶2000水下地形測繪，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)，在前期準(zhǔn)備工作中已求得測區(qū)轉(zhuǎn)換七參數(shù)。常規(guī)測量方法進(jìn)入淺灘和魚塘測量比較困難且效率低下。無人測量船體積小、重量輕、吃水淺、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)在此次項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。

2.2外業(yè)實(shí)施

2.2.1航線規(guī)劃外業(yè)實(shí)施前在PC端打開AutoPlanner控制軟件，連接到網(wǎng)絡(luò)并打開合適的衛(wèi)星影像圖。在衛(wèi)星影像圖中選擇測區(qū)或者導(dǎo)入測區(qū)邊界，軟件自動(dòng)生成航線，并可根據(jù)需要，調(diào)節(jié)航線的方向和航線間的距離。航線規(guī)劃好后上傳至無人測量船。2.2.2數(shù)據(jù)采集在作業(yè)現(xiàn)場檢查安裝好無人測量船，打開PC端HydroSurvey測深軟件，新建工程項(xiàng)目，輸入相關(guān)參數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)記錄方式，引導(dǎo)無人船進(jìn)入起始測量位置開始測量。作業(yè)人員需要時(shí)刻關(guān)注測量船的工作狀態(tài)，根據(jù)測深軟件的提示，在深水區(qū)域采用自動(dòng)航行工作模式，當(dāng)水深小于1.0m時(shí)，切換遙控器手動(dòng)控制進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集。在對(duì)魚塘進(jìn)行測量時(shí)，因塘內(nèi)分布各種養(yǎng)魚設(shè)備，無法自動(dòng)航行，故采用遙控器手動(dòng)控制模式。由于魚塘間距離較近，遷站時(shí)直接采取人工搬運(yùn)的方式，便捷且大大提高了作業(yè)效率。

2.3數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作完成后，在PC端利用HydroSurvey測深軟件對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（1）水深取樣。將測量完的數(shù)據(jù)按照成果要求進(jìn)行采樣。采樣前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除非固定解及異常水深地形點(diǎn)，然后根據(jù)項(xiàng)目要求選擇合適的采樣間隔，生成采樣文件。（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)出。將經(jīng)過處理后生成的采樣文件通過軟件導(dǎo)出為需要的格式，HydroSurvey提供了多種可選擇的導(dǎo)出格式，也可以自定義導(dǎo)出格式，得到水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)、水深數(shù)據(jù)等。

2.4精度檢查

為了進(jìn)行精度檢查，本項(xiàng)目按照規(guī)范要求布置了長度不小于測深線總長度5％的測深檢查線，且與測深線垂直。采用傳統(tǒng)水下測量方式（漁船攜帶RTK+測深儀或測深桿）進(jìn)行測量，選取檢查線與測深線相交處，圖上1mm范圍內(nèi)的水深點(diǎn)的深度進(jìn)行對(duì)比，無人測量船所測水深為H1,檢查點(diǎn)水深為H2，其精度統(tǒng)計(jì)見表1。在《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）中規(guī)定，當(dāng)水深H＜10m時(shí)，測點(diǎn)深度中誤差限值為±0.15m。通過實(shí)測檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，利用無人測量船測量的水下地形點(diǎn)的精度滿足工程建設(shè)要求。

3無人測量船誤差分析

3.1傳播介質(zhì)的影響

聲速是影響水深測量精度的關(guān)鍵因素，而影響聲速的因素有溫度、鹽度和壓力。聲速隨著溫度、鹽度、深度的增大而增大，其中與溫度的相關(guān)性影響最大，壓力次之，鹽度影響最小。為減弱或消除傳播介質(zhì)的影響，對(duì)于深水區(qū)首先應(yīng)進(jìn)行聲速測量，然后根據(jù)測量的聲速剖面對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，從而達(dá)到提高測量精度的目的。

3.2風(fēng)浪的影響

由于外界風(fēng)浪的影響，船體前后或左右會(huì)發(fā)生一定的傾斜，測量誤差將隨著傾斜角度和水深的增加而變大，當(dāng)傾斜度超過一定角度時(shí)，測量誤差將會(huì)超過限差范圍。因此實(shí)施測量前需根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況選擇適宜作業(yè)時(shí)間，常規(guī)經(jīng)驗(yàn)值為風(fēng)力2級(jí)以下。

3.3水中雜物的影響

無人測量船搭載的是單波束測深儀，水中的漂浮物和水草等雜物對(duì)測深數(shù)據(jù)影響較大。因漂浮物產(chǎn)生的粗差數(shù)據(jù)可利用測深軟件進(jìn)行剔除處理，當(dāng)水草較多時(shí)不宜采用無人船進(jìn)行測量。

4結(jié)語

通過本項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用，采用無人測量船進(jìn)行水下地形測量在水利工程測量中是可行的，其高效、安全、便捷等特點(diǎn)，特別適合在淺灘、魚塘以及危險(xiǎn)水域等區(qū)域使用，不僅提高了作業(yè)效率，保障了作業(yè)人員安全，同時(shí)保證了測量成果的精度，值得推廣。但是以當(dāng)前現(xiàn)狀綜合分析，無人測量船也存在以下不足：（1）在有漁網(wǎng)和水草較多的水域，其船槳易被纏繞，無法進(jìn)行測量作業(yè)。（2）當(dāng)遇到障礙物時(shí)無法有效避障，測量中容易發(fā)生碰撞、擱淺等情況，在復(fù)雜水域需要作業(yè)人員時(shí)刻通過人眼或攝像頭對(duì)前方水域進(jìn)行觀察，對(duì)作業(yè)人員的操控能力要求較高。（3）單組電池續(xù)航能力有限，須配備多組電池才能滿足全天作業(yè)需求。隨著科技的發(fā)展，無人測量船技術(shù)將會(huì)不斷成熟，其應(yīng)用也將會(huì)更加廣泛。

作者：彭玉生 單位：安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司